定点数字信号处理器DSP技术与应用.ppt

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1、ADSP-218x Workshop定点数字信号处理器DSP技术与应用 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望ADSP-218x Workshop课程的主要内容和目的课程的主要内容和目的本课程主要介绍本课程主要介绍 ADSP-218X/219X系列系列16位定点位定点DSP的的体系结构和软体系结构和软/硬件开发环境，通过几个典型的实验使硬件开发环境，通过几个典型的实验使大家初步掌握大家初步掌握DSP系统的硬件构成、系统的硬件构成、软件开发以及系统软件开发以

2、及系统的综合调试方法。的综合调试方法。课程的重要性：课程的重要性：直接面向应用。直接面向应用。IT工程师三大实用技能工程师三大实用技能*PCB设计设计*DSP应用应用*FPGA应用应用2ADSP-218x Workshop第一部分第一部分数字数字信号处理器（信号处理器（DSP）概述概述3ADSP-218x Workshop数字信号处理及数字信号处理器（数字信号处理及数字信号处理器（DSP）Digital Signal Processor4ADSP-218x Workshop数字信号处理数字信号处理数字信号处理的特点数字信号处理的特点特别强调运算处理的实时性（特别强调运算处理的实时性（Real-

3、Time Capability)模拟模拟/数字转换数字转换A/D Converter数字信号数字信号处理运算处理运算数字数字/模拟转换模拟转换D/A Converter待处理待处理的信号的信号处理后处理后的信号的信号5ADSP-218x Workshop数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）结构特点结构特点 DSP面向高性能、重复性、数值运算密集型的实时处理，它具有适合数面向高性能、重复性、数值运算密集型的实时处理，它具有适合数字信号处理算法的指令、适合数字信号处理数据结构的存储器结构和寻字信号处理算法的指令、适合数字信号处理数据结构的存储器结构和寻址机构、并行处理能力和嵌入式性能等。其体系

4、结构一般具有以下特点：址机构、并行处理能力和嵌入式性能等。其体系结构一般具有以下特点：采用分离地址与数据总线的哈佛结构（采用分离地址与数据总线的哈佛结构（CPU：冯冯.诺伊曼结构），有着诺伊曼结构），有着较高的指令执行速度，但结构复杂需要两套地址产生电路。较高的指令执行速度，但结构复杂需要两套地址产生电路。采用流水线技术，使取指、译码、取操作数、执指等步骤并行完成，提采用流水线技术，使取指、译码、取操作数、执指等步骤并行完成，提高了指令的执行速度。高了指令的执行速度。除了算数逻辑单元（除了算数逻辑单元（ALU）外，具有独立的乘加器，使其能够在一个周外，具有独立的乘加器，使其能够在一个周期内完成

5、相乘和累加两个操作，加快了各种典型处理算法的处理速度。期内完成相乘和累加两个操作，加快了各种典型处理算法的处理速度。具有适用于典型处理算法的特殊存储器寻址方式，如循环寻址、位反序具有适用于典型处理算法的特殊存储器寻址方式，如循环寻址、位反序寻址等。寻址等。针对实时处理的专用的数据接口（针对实时处理的专用的数据接口（RAM、DMA、SPORT，etc.)，使数使数据的存取速度得以提高。据的存取速度得以提高。专门的指令流控制逻辑，如无附加开销的循环转移指令。专门的指令流控制逻辑，如无附加开销的循环转移指令。集成度高，能够实现单片、低功耗的处理系统。集成度高，能够实现单片、低功耗的处理系统。6ADS

6、P-218x Workshop数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）的应用领域的应用领域通用数字信号处理（数字滤波、卷积、相关、变换等）通用数字信号处理（数字滤波、卷积、相关、变换等）通信（高效调制通信（高效调制/解调、编解调、编/解码器、自适应均衡、解码器、自适应均衡、IP处理、软件处理、软件无线电等）无线电等）语音处理（语音识别语音处理（语音识别/合成合成/压缩压缩/解压缩等）解压缩等）图形图形/图象处理（图象变换、模式识别、图象压缩图象处理（图象变换、模式识别、图象压缩/解压缩等）解压缩等）自动控制（高精度、高速度伺服控制）自动控制（高精度、高速度伺服控制）军事军事/航空航空/航天（雷

7、达航天（雷达/声呐信号处理、雷达成像、制导声呐信号处理、雷达成像、制导/火控系火控系统、导航统、导航/定位系统、战场定位系统、战场C3I系统等）系统等）消费电子（数字高清晰度电视（消费电子（数字高清晰度电视（HDTV）、）、CD/VCD/DVD编解码编解码器、多媒体信息处理、汽车电子等）器、多媒体信息处理、汽车电子等）7ADSP-218x WorkshopDSP的典型应用的典型应用MPEG-4因特网摄像机因特网摄像机8ADSP-218x WorkshopDSP的分类的分类 主要分为通用主要分为通用DSP和专用和专用DSP两大类两大类通用通用DSP：其所要实现的处理算法由软件程序控制实现。应其所

8、要实现的处理算法由软件程序控制实现。应 用灵活性大，通过更改软件程序能够实现不同的用灵活性大，通过更改软件程序能够实现不同的 处理算法。处理算法。产品是各种类型的可编程产品是各种类型的可编程DSP芯片，应用较广泛芯片，应用较广泛 的是：的是：TI公司的公司的TMS320系列系列 AD公司的公司的ADSP21XX系列系列专用专用DSP：针对某种具体应用而设计，所要实现的处理算法针对某种具体应用而设计，所要实现的处理算法 由硬件直接实现。运算处理速度极高，但完成的由硬件直接实现。运算处理速度极高，但完成的 算法单一、精度和动态范围有限，需要与外围电算法单一、精度和动态范围有限，需要与外围电 路配合

9、才能构成系统，功耗也较大，因此应用范路配合才能构成系统，功耗也较大，因此应用范 围较窄，围较窄，主要应用于仪器主要应用于仪器/仪表以及军事等需要仪表以及军事等需要 极高处理能力的领域。极高处理能力的领域。主要产品：主要产品：FFT专用专用DSP、卷积卷积/相关器、复乘加相关器、复乘加 器等。器等。*用用ASIC/FPGA实现的实现的DSP9ADSP-218x WorkshopDSP的分类的分类DSPDSP专用专用DSPDSP横向滤波器横向滤波器FFTFFT复乘复乘/累加器累加器求模求模/相角相角嵌入式嵌入式DSPDSP定点定点 DSPDSP32bit32bit浮点浮点DSPDSP32bit32

10、bit浮点并行浮点并行DSPDSP超高性能超高性能DSPDSP1616bit bit 定点定点DSPDSP24bit 24bit 定点定点DSPDSP通用通用DSPDSP10ADSP-218x Workshop数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）的开发与调试的开发与调试 DSP系统的设计分为硬件系统的设计分为硬件/软件两个部分。两者可以在各自的开发平台上软件两个部分。两者可以在各自的开发平台上分别进行前期设计与调试，然后进行系统的联调。具体开发流程如图所分别进行前期设计与调试，然后进行系统的联调。具体开发流程如图所示。示。硬件设计硬件设计 DSP选型选型/系统结构确立系统结构确立 性能性能

11、/功耗分析功耗分析 开发周期开发周期/成本分析成本分析 电路设计电路设计/调试调试调试工具调试工具：DSP在线硬件仿真器（在线硬件仿真器（Emulator)、DSP开发开发/评估板（评估板（Evaluation Board)、示波器、逻辑分析仪。示波器、逻辑分析仪。软件设计软件设计 算法确定算法确定/程序流程图程序流程图 软件编制（汇编软件编制（汇编/C语言）语言）汇编汇编/编译编译/链接链接 软件模拟软件模拟调试工具调试工具：汇编汇编/编译编译/链接程序，软件模拟链接程序，软件模拟/调试器（调试器（Simulator/Debugger)系统联调系统联调对整个系统的软对整个系统的软/硬件进行的

12、综合调试。硬件进行的综合调试。调试工具调试工具：硬件仿真器、：硬件仿真器、DSP开发开发/调试集成环境（调试集成环境（IDE/IDDE）、）、DSP OS，etc.11ADSP-218x WorkshopADSP-218x在线仿真器在线仿真器12ADSP-218x WorkshopADSP-218x开发开发/评估板评估板13ADSP-218x WorkshopADSP-218x开发开发/评估板所包含的功能部件评估板所包含的功能部件14ADSP-218x WorkshopDSP系统的开发流程图系统的开发流程图系统级设计系统级设计系统功能要求系统功能要求系统性能及算法模拟系统性能及算法模拟 处理速

13、度、开发周期、处理速度、开发周期、体积、成本，功耗、体积、成本，功耗、供货、升级供货、升级器件选型：器件选型：DSPDSP型号、存储器、型号、存储器、I/OI/O、FPGAFPGA、A/DA/D、D/AD/A系统设计框图系统设计框图硬件设硬件设计计软件设计软件设计15ADSP-218x WorkshopDSP系统的开发流程图系统的开发流程图电路电路/软件设计软件设计电路原理图设计电路原理图设计生成电路网表生成电路网表设计印制电路板设计印制电路板印制板制造印制板制造器件安装器件安装软件流程图绘制软件流程图绘制高级语言程高级语言程序设计序设计汇编语言汇编语言程序设计程序设计汇编算法库汇编算法库实时

14、运行库实时运行库编译编译汇编汇编链接链接软件模拟软件模拟修正修正修正修正硬件调试硬件调试软软/硬件系统联调硬件系统联调示波器示波器逻辑分析仪逻辑分析仪16ADSP-218x WorkshopDSP系统的开发流程图系统的开发流程图系统联调系统联调系统在线仿真系统在线仿真硬件电路硬件电路硬件电路硬件电路软件程序软件程序软件程序软件程序PCPC机仿真机仿真仿真结果仿真结果?有误错有误错修正修正修正修正固化程序固化程序嵌入系统设备进行联调嵌入系统设备进行联调连接外部设备连接外部设备综合测试综合测试满足系统要求满足系统要求?否否修正修正修正修正否否修正修正修正修正成品制造成品制造示波器示波器逻辑分析逻辑

15、分析仪仪17ADSP-218x WorkshopDSP及其开发的新趋势及其开发的新趋势 单片系统（单片系统（System-On-Chip)随着随着VLSI技术的发展，针对一定的应用领域，可以使整个技术的发展，针对一定的应用领域，可以使整个系统以系统以DSP为核心进行设计，并将应用中所涉及的诸如为核心进行设计，并将应用中所涉及的诸如 RAM、I/O、A/D、D/A等附加电路单元全部集成在一片等附加电路单元全部集成在一片IC芯片中，并且芯片中，并且包括处理单元在内的各功能块都具有可重定义特性（包括处理单元在内的各功能块都具有可重定义特性（Re-Configurable).这样一来，系统以后的功能扩

16、展与升级将非常简单，只需要重新这样一来，系统以后的功能扩展与升级将非常简单，只需要重新编写软件程序即可。同时系统的功耗会大大的降低，编写软件程序即可。同时系统的功耗会大大的降低，可靠性会大可靠性会大大的提高。而这对便携大的提高。而这对便携/移动应用非常重要。移动应用非常重要。模块化设计模块化设计 DSP及支持芯片及支持芯片/软件生产厂商，均依据一定的标准，设计软件生产厂商，均依据一定的标准，设计生产电路板级生产电路板级DSP处理模块，处理模块，同时为这种模块提供丰富的符合标同时为这种模块提供丰富的符合标准的软件开发系统和算法资源库。准的软件开发系统和算法资源库。这样做的好处是降低了硬件设这样做

17、的好处是降低了硬件设计难度、计难度、减少了硬件设计时间，减少了硬件设计时间，更重要的是模块化设计得到了丰更重要的是模块化设计得到了丰富的软件支持，大大提高了设计效率。富的软件支持，大大提高了设计效率。18ADSP-218x Workshop二进制代数复习二进制代数复习19ADSP-218x WorkshopDSP中的二进制数表示方法中的二进制数表示方法ADSP-2100系列定点数系列定点数DSP使用使用2的补码进行操作。若要有效地对该系列的补码进行操作。若要有效地对该系列DSP进行编程，了解以下概念及定义是非常重要的。进行编程，了解以下概念及定义是非常重要的。1)有符号有符号/无符号数格式无符

18、号数格式2)小数小数/整数格式整数格式3)小数的范围小数的范围4)16进制到进制到2进制的转换进制的转换5)2进制到进制到16进制的转换进制的转换20ADSP-218x Workshop2进制（进制（Binary）-（16进制）进制）Hexadecimal 10进制（进制（Decimal）数据转换表数据转换表Decimal 0 123456789101112131415Hexadecimal 01 23456789ABCDEFBinary 0000 00010010001101000101011001111000100110101011110011011110111121ADSP-218x W

19、orkshop有符号数与无符号数有符号数与无符号数无符号数无符号数有符号数有符号数0 x00000V (最小负值最小负值)0 xFFFF5V (最大正值最大正值)0 x8000-5V (最小负值最小负值)0 x00000V 0 x7FFF5V (最大正值最大正值)S/U U U U U U U U U U U U U U U U0152进制表示进制表示实际物理量实际物理量22ADSP-218x Workshop有符号数（原码）与有符号数（原码）与2的补码的补码有符号数（原码）的最高位（有符号数（原码）的最高位（MSB）为符号位。为符号位。1表示负数表示负数0表示正数表示正数*有符号数（原码）有

20、符号数（原码）“0”有两种表示方法（有两种表示方法（+/-0）。）。*有符号数（原码）的运算比较复杂，类似于正负数的笔算有符号数（原码）的运算比较复杂，类似于正负数的笔算 ，先要比较两个数绝对值的大小，然后确定如何计算，最，先要比较两个数绝对值的大小，然后确定如何计算，最 后在确定符号位。后在确定符号位。2的补码的补码Xcmp=2n+X(n-字长位数）字长位数）*性质：正数的补码与其原码相同。负数的补码仍是负数，它是性质：正数的补码与其原码相同。负数的补码仍是负数，它是 将其原码的符号位保持不变而将其数值部分求补得到。将其原码的符号位保持不变而将其数值部分求补得到。“0”在补码中的表示是唯一的

21、。在补码中的表示是唯一的。*补码的求法：一个负数的补码等于其原码除符号位保持不变外补码的求法：一个负数的补码等于其原码除符号位保持不变外 ，其余各位按位求反，再在最低位加，其余各位按位求反，再在最低位加1。*补码的运算：符号位与数值位一样参加运算（若符号位有进位补码的运算：符号位与数值位一样参加运算（若符号位有进位 则丢弃）。则丢弃）。*溢出的判别：溢出的判别：“双高位判别法双高位判别法”Cs：最高位（符号位）的进位情况。最高位（符号位）的进位情况。若有进位，若有进位，Cs=1;Cp：数值部分的最高位的进位情况。若有进位，数值部分的最高位的进位情况。若有进位，Cp=1;Overflow=Cs

22、xor Cp23ADSP-218x Workshop2的补码表示方法的补码表示方法对于对于2的补码表示法，的补码表示法，一个数符号位的位权值是一个数符号位的位权值是-(2)(M-1)，M是是2进制小数点左进制小数点左边的位数。对于一个边的位数。对于一个 4.2 型式的数字型式的数字,符号位的位权值是符号位的位权值是-(23).例子例子:0101.01=0*(-8)+1*(4)+0*(2)+1*(1)+0*(1/2)+1*(1/4)=5.25 1101.01=1*(-8)+1*(4)+0*(2)+1*(1)+0*(1/2)+1*(1/4)=-2.752 2进制小数点进制小数点进制小数点进制小数点

23、-2-13012-(2 )22222符号位符号位符号位符号位24ADSP-218x Workshop小数与整数表示法小数与整数表示法 1.15型式的小数格式型式的小数格式S F F F F F F F F F F F F F F FS I I I I I I I I I I I I I I I小数点小数点小数点小数点 16.0型式的整数格式型式的整数格式25ADSP-218x WorkshopDSP是针对小数表示型式是针对小数表示型式进行优化设计的进行优化设计的DSP也支持整数表示型式也支持整数表示型式 26ADSP-218x Workshop16位二进制数的表示范围位二进制数的表示范围最大最

24、大10进制正数进制正数 (0 x7FFF)0.999969482421875 1.999938964843750 3.999877929687500 7.999755859375000 15.999511718750000 31.999023437500000 63.998046875000000 127.996093750000000 255.992187500000000 511.984375000000000 1023.968750000000000 2047.937500000000000 4095.875000000000000 8191.750000000000000 16383.

25、500000000000000 32767.000000000000000最大最大10进制负数进制负数 (0 x8000)1.0 2.0 4.0 8.0 16.0 32.0 64.0 128.0 256.0 512.0 1024.0 2048.0 4096.0 8192.0 16384.0 32768.0 最低有效位（最低有效位（LSB）为为1时的时的10进制数值进制数值 (0 x0001)0.000030517578125 0.000061035156250 0.000122070312500 0.000244140625000 0.000488281250000 0.00097656250

26、0000 0.001953125000000 0.003906250000000 0.007812500000000 0.015625000000000 0.031250000000000 0.062500000000000 0.125000000000000 0.250000000000000 0.500000000000000 1.000000000000000格式格式 1.15 2.14 3.13 4.12 5.11 6.10 7.9 8.8 9.7 10.6 11.5 12.4 13.3 14.2 15.1 16.0 小数小数整数整数27ADSP-218x Workshop不同数制表示

27、实例不同数制表示实例+5 V-5 V0 V0 x7FFF0 x00000 x800012345格式格式0 x7FFF 0 x3FFF 0 x0000 0 xCCCD 0 x80001)2)3)4)5)16.01.155 V 2.5 V 0 V -2.0 V -5.0 V=32767 -=16383 -=0 -=-13107-=-32768-0.999969482.-0.499969482.-0.0000000.-0.399993986.-1.0000000.-5 V 2.5 V 0 V -2.0 V -5.0 V28ADSP-218x Workshop有两种将有两种将16进制数转换为进制数转换

28、为10进制数的方法，一种简单，一种较复杂进制数的方法，一种简单，一种较复杂.复杂的方法复杂的方法:先将先将16进制数转换成进制数转换成2进制数进制数.确定小数点的位置确定小数点的位置.将每一位的将每一位的2进制位数值乘以其响应的位权值。进制位数值乘以其响应的位权值。例子例子:将将 0 x2A00（以以1.15、2的补码格式表示）转换的补码格式表示）转换10进制数值进制数值0 x2A00=0.010 1010 0000 0000 =2-2+2-4+2-6 =0.25+0.0625+0.015625 =0.328125 =0.33 =1/3 简单的方法简单的方法:先将先将16进制数直接转换成进制数

29、直接转换成10进制数（整数进制数（整数整数）。再用转换后的整数）。再用转换后的10进制数除以进制数除以2N，N是是2进制小数点右边的位数。进制小数点右边的位数。例子例子:将将 0 x2A00（以以1.15、2的补码格式表示）转换的补码格式表示）转换10进制数值进制数值0 x2A00 10752/215=10752/32768 =0.32812516进制进制(1.15 格式格式)到到10进制转换进制转换29ADSP-218x Workshop 有两种将有两种将10进制数转换为进制数转换为16进制数的方法，一种简单，一种较复杂进制数的方法，一种简单，一种较复杂.复杂的方法复杂的方法:将将10进制数

30、用其进制数用其2N 的型式表示出来。的型式表示出来。例子例子:将将0.8125转换成以转换成以1.15、2的补码表示的的补码表示的16进制数值进制数值简单的方法简单的方法:将将10进制数乘以进制数乘以2N，N是是1.15格式小数点右边的位数值。然后再计算格式小数点右边的位数值。然后再计算16进制进制数值。数值。例子例子:将将0.8125转换成以转换成以1.15、2的补码表示的的补码表示的16进制数值进制数值0.8125*215=0.8125*32768=26624 0 x680010进制到进制到16进制转换进制转换(1.15 格式格式)0.8125=2-22-1202-32-42-52-62-711/21/41/81/161/641/321/12800001011=0 x680030